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第十三章 电功和电功率
第四节 电流的热效应
一、教学背景分析
本节内容主要是让学生通过生活中用电器的发热现象认识电流的热效应；通过实验探究电流的热效应与哪些因素有关；在由实验探究得出电流的热效应与导体的电阻、通过导体的电流、通电时间的定性关系的基础上，让学生了解焦耳定律，并且能够用焦耳定律说明生产生活中的一些现象。
从学生的知识基础看，学生已经学习了电功与电功率，能够从能量转化的角度分析电流做功时能量的转化情况；学生也在“机械能、内能及其转化”一章学习过比热容，知道同质量的同种液体，吸收不同热量时升高的温度不同，可以用温度的变化来反映吸收热量的多少。从学生的日常经验看，学生对生活中用电器发热的现象并不陌生，比较容易认识电流的热效应。从学生的能力基础看，学生在上一节课完成了完整的探究实验，探究了小灯泡的电功率，实验综合性强，探究能力得到了提高。
结合教学内容与学情分析，本节教学设计的基本思路如下：首先用电热丝切割器切割塑料泡沫，引入新课；然后请学生举出生活中用电器通电后发热的例子，从能量转化的角度进行分析，认识电流的热效应；接着探究电流的热效应与哪些因素有关，通过实验得出定性结论；再介绍电流产生热量与电流、电阻、通电时间的定量关系，即焦耳定律；最后运用焦耳定律说明生产生活中的一些现象。
二、教学目标
1. 知道什么是电流的热效应。知道电流的热效应与导体的电阻、通过导体的电流、通电时间的定性关系。
2. 通过实验探究电流的热效应与哪些因素有关，提升科学探究能力，经历设计记录表、进行实验和收集证据的过程，进一步学习控制变量的科学研究方法，体会替代的研究思想，养成严谨的科学态度。
3. 通过学习电流热效应的应用和危害防止的实例，树立理论联系实际、将所学知识应用于实际的意识，体会物理知识对生产生活的重要意义。
三、教学重点和难点
教学重点：实验探究电流产生的热量与哪些因素有关。
教学难点：理解焦耳定律。
通过实验定性分析电流产生的热量与哪些因素有关，是理解焦耳定律的基础，在实验过程中又可以培养学生制订计划、设计数据表的能力，培养学生的探究能力。在实验过程中让学生在明确实验目的与了解实验仪器的基础上，尝试设计实验，分析如何用实验仪器反映电流产生的热量。
对于焦耳定律的理解，要帮助学生区别焦耳定律Q=I2Rt与电流做功W=UIt的不同与联系。可以从能量转化的角度来比较电流做功W与电流产生的热量Q，在纯电阻电路中，电流做功全部转化为内能，W=Q；在非纯电阻电路中，电流做功只有部分转化为内能，W>Q。不论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，在计算电流产生的热量时，Q=I2Rt始终成立。
四、教学过程
图13-4-1
1.教学引入
教师演示实验，展示电热丝切割器（如图13-4-1所示），先不通电尝试切割塑料泡沫，再接通学生电源并给12V电压，通电后切割塑料泡沫。
提出问题：为什么切割器在通电后可以切割塑料泡沫？
学生猜想：通电后电阻丝发热，所以能够切割塑料泡沫。
2.“知识点”教学
●认识电流的热效应
教师引导：生活中有哪些用电器通电后会发热呢？
学生1：给电热水壶通电发热，可以烧水。
学生2：给电烤箱通电后发热，可以烤面包。
学生3：笔记本电脑用的时间长了，也会发热。
教师提问：这些热量是从哪里来的呢？大家可以从能量转化的角度分析吗？
学生猜想：是由于通电后，电流通过用电器做功，电能转化为内能。
教师肯定学生的猜想，并引导学生总结：电流通过导体时，导体会发热。这种现象叫作电流的热效应。
●探究电流的热效应与哪些因素有关
（1）提出问题
电流的热效应与哪些因素有关呢？怎样确定电流产生热量的多少？
（2）猜想与假设
教师引导：刚才我们分析了，电流的热效应来源于电流通过用电器做功，电能转化为内能。由此你猜想，电流的热效应与哪些因素有关？
学生猜想：可能与电流的大小有关。
教师引导：用电热水壶烧水时，电炉丝和导线上的电流相同吗？
学生回答：相同。因为电炉丝与导线串联。
教师继续引导：既然电流相同，那为什么电炉丝可以用来加热，而导线并不很热呢？
学生猜想：导线的电阻非常小，而电炉丝电阻较大，所以电流的热效应还可能与电阻有关。
教师引导：用电热水壶烧开一整壶水和烧开半壶水，所用时间不同。由此你猜想，电流的热效应还可能与什么因素有关？
学生猜想：电流的热效应还可能与时间有关。时间越长，产生的热量越多。
学生总结猜想：电流的热效应可能与通过导体的电流、导体的电阻、通电时间有关。
（3）制订计划
教师提问：如果要探究电流的热效应与某一因素的关系，我们应该用什么方法？
学生回答：控制变量法。
教师提问：如果要研究电流的热效应与电流大小的关系，应该如何控制变量呢？
学生回答：控制电阻与通电时间相同，让电流大小不同，比较电流通过导体时产生的热量。
教师提问：怎样判断产生电热的多少？
学生结合电热壶烧水的例子进行分析：电流通过导体产生的热量，使水的温度升高，因此可以用水温升高的多少来反映产生电热的多少。
教师提问：结合之前学习过的比热容的知识，如果要用物质温度升高的多少来反映产生电热的多少，还需要控制哪些变量？
学生回答：还需要让物质种类和质量都相同。
教师肯定学生的回答，并介绍实验仪器，是用电热器加热相同质量的煤油，通过煤油温度升高的情况来判断通电导体产生热量的多少。
教师提问：要探究电热多少与电阻的关系，应该怎样设计实验电路？
学生分析、讨论后回答：此时要控制电流相同，因此可以把两个电热器串联。要让电阻不同，因此可以选用两个阻值不同的电热丝。
图13-4-2
教师提问：为防止电路中电流过大，需要添加什么仪器？
学生回答：可以再串联一个滑动变阻器。
教师请学生设计实验电路图，并连接实物图，如图13-4-2所示。
教师提问：要探究电热多少与电流的关系，需要控制哪个变量？如何控制？
图13-4-3
学生回答：需要控制电阻相同，可以选择阻值相同的电热丝。
教师提问：要让电流不同，如何改变？
学生回答：可以把两个电热器并联。
教师提问：如果把两个电热器并联，两个电热丝阻值相同，此时电流还是相同的，怎样使它们的电流不同呢？
学生讨论后回答：每个支路分别串联一个滑动变阻器，以及电流表。
教师请学生设计实验电路图，并连接实物图，如图13-4-3所示。
教师提问：如果想探究电热与通电时间的关系，如何进行实验？
学生回答：此时只需用一个电热器加热，这样既控制了电流又控制了电阻，加热不同的时间即可。
（4） 进行实验与收集证据
教师请学生自己设计表格，讨论交流，设计的表格如下。
探究电热与电阻的关系：
电流I/A
通电时间t/s
电阻R/Ω
温度变化T/℃
热量多少（多/少）
探究电热与电流的关系：
电阻R/Ω
通电时间t/s
电流I/A
温度变化T/℃
热量多少（多/少）
探究电热与通电时间的关系：
电阻R/Ω
电流I/A
通电时间t/s
温度变化T/℃
热量多少（多/少）
学生利用上述装置组装电路，进行实验探究，记录数据。
（5） 分析与论证
小组讨论实验现象，并得出结论：
电流、时间相同，电阻越大，产生的热量越多。
电阻、时间相同，电流越大，产生的热量越多。
电流、时间相同，时间越长，产生的热量越多。
教师总结：这个实验虽然能说明电流产生的热量与电阻、电流、通电时间的定性关系，但无法确定它们之间的定量关系。在科学史上，英国物理学家焦耳在经过大量实验后，最先确定了电流产生的热量与电流、电阻、时间的定量关系：电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比，这个规律叫作焦耳定律，用公式表示为Q=I2Rt。
●电流热效应的应用实例
教师提问：我们生活中的哪些常用电器，是利用电流的热效应工作的呢？
学生回答：电熨斗、电热水壶、电饭煲、电暖气、电烤箱等。
教师讲解：这些用电器工作时，电流通过用电器做功，电能全部转化为内能，所以Q=W，这种电路叫作纯电阻电路。我们以前学习过W=UIt，U=IR，所以可以推导出Q=W=I2Rt。
教师提问：对于有电动机的电路，比如电风扇工作时，电能转化为什么能呢？
学生回答：电能转化为机械能和内能。
教师提问：此时电流做的功与电流产生的热量之间的大小关系如何？
学生：此时W>Q。
教师总结：这种电路叫作非纯电阻电路，电流做的功只有一小部分转化为内能。但不管是纯电阻电路还是非纯电阻电路，Q=I2Rt总是成立的。
3.课堂小结
（1）焦耳定律：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。
（2）公式：Q = I2Rt 。
（3）单位：焦耳（J）。
（4）当电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有同时转化成其他形式的能量，那么电流产生的热量Q 就等于消耗的电能W，即
Q = W = UIt = I2Rt。
如：电暖器，电饭锅，电炉子等。
当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能：W＞Q热
图13-4-4
4.小练习
（1）在探究电流通过导体时产生热的多少与什么因素有关时，采用了如图13-4-4所示的实验装置。这是用来探究电流通过电阻丝产生的热量与( )
A．导体的电阻的关系 B．通过导体的电流的关系
C．导体的长度的关系 D．通电时间的关系
（2）一根阻值恒定的电阻丝，接入某电路后，每分钟产生的热量是Q，如果让它每分钟产生的热量为4Q，则下列办法中可行的是（ ）
A．再取一根相同的电阻丝跟它并联
B．再取一根相同的电阻丝跟它串联
C．将这根电阻丝两端的电压提高为原来的2倍
D．将这根电阻丝两端的电压提高为原来的4倍
五、教学反思
本节课主要研究了电流的热效应与哪些因素有关。学生对电流的热效应并不陌生，生活中很多用电器都是利用电流的热效应工作的，也有些用电器在工作过程中会发热。教学中在进行实验前，要给学生介绍清楚焦耳定律演示器，让学生明确实验的目的和原理，并且启发学生思考如何用实验仪器比较电流产生热量的多少，引导学生思考如何利用实验仪器控制变量和改变变量。在进行实验时，要调节电源电压，如果电流太大会导致液体从U形管中喷出，影响实验效果。通过这个实验，学生直观地认识到电流产生的热量与电阻和电流有关。在明确电流产生的热量与电阻、电流和通电时间有关后，再向学生介绍焦耳定律，学生能够更加深刻地认识焦耳定律，并用它进行定量计算。
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